近日，中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室李三忠教授团队联合国内外学者在马里亚纳俯冲带物质循环及传输机制方面取得重要研究进展，研究成果以“Variable slab material transport mechanisms in Mariana subduction zone”为题，在国际地学期刊Geology上发表。

岛弧火山岩富集流体活动性元素，受到俯冲组分的改造。关于俯冲组分在地幔楔中的加入方式，有两种观点：一是板片脱水/熔融，板片来源流体或熔体进入地幔楔，发生地幔交代；二是板片物质与地幔楔混合成混杂岩，混杂岩上升、脱水或熔融后形成岩浆。两种方式都能解释弧岩浆的部分特征，但很难区分。

针对这一争议，研究团队选取马里亚纳初始弧裂谷阶段的高MgO（~10 wt%）玄武岩，结合活动岛弧和弧后盆地玄武岩样品（图1），有效规避了结晶分异干扰。结果显示：初始弧裂谷与弧火山岩的δ²⁶Mg值系统性高于MORB，且高镁原始样品在δ²⁶Mg-MgO图解中明显偏离橄榄石+单斜辉石分离结晶趋势线，表明其重镁同位素特征继承自源区，必须由俯冲板片来源的高δ²⁶Mg组分加入来解释（图2）。

图1. 研究区地质图，样品来自马里亚纳初始裂谷、活动岛弧和成熟弧后区域

研究通过混合模拟检验了两种候选机制。若仅用蛇纹岩来源流体交代地幔楔，即使采用最高MgO含量（14.43 wt%）和最高δ²⁶Mg值（约-0.01‰）的端元参数，也需约20%的流体比例才能再现初始弧裂谷玄武岩的重镁同位素组成，远超锶-钕同位素模拟允许的范围。相比之下，俯冲通道内蛇纹石、蚀变洋壳和沉积物机械混合形成的“混杂岩”底辟上升并部分熔融的模型，可以合理再现初始弧裂谷玄武岩和岛弧玄武岩的高δ²⁶Mg值与富集锶-钕同位素特征。与之形成对比的是，弧后盆地玄武岩落在正常的橄榄石+单斜辉石分离结晶趋势线上，具有MORB型δ²⁶Mg值，其微量元素特征（正K、Pb异常，负Nb、Ta异常）可由低通量板片残留流体交代解释。研究指出，弧后之下软流圈地幔垂向上升主导，不利于高密度混杂岩底辟的侧向迁移，却有利于低粘度流体的渗透交代，镁同位素信号在此过程中被地幔有效缓冲。少量弧后样品的高δ²⁶Mg值则被解释为继承自预先存在的高δ²⁶Mg地幔域，指示该区域存在强烈的地幔不均一性（图2）。

图2. 马里亚纳俯冲带样品元素及同位素关系图

基于上述结果，研究团队提出了马里亚纳俯冲带板片组分传输的概念模型：俯冲过程中，弧前蛇纹岩被刮削卷入俯冲通道，与蚀变洋壳和沉积物机械混合形成混杂岩；混杂岩在弧下深度脱水释放高Ba/Th流体，交代上覆地幔楔并留下流体活动性元素印记，随后以底辟形式上升并发生部分熔融，产生继承蛇纹岩重镁同位素特征和沉积物/蚀变洋壳富集锶-钕同位素特征的熔体；而在弧后扩张中心之下，地幔主要受残留板片流体/熔体交代，形成具有MORB型镁同位素组成的玄武岩（图3）。

图3. 马里亚纳俯冲带俯冲组分迁移模拟图

该研究在同一弧-盆体系中以Mg-Sr-Nd同位素联合约束，揭示了板片物质传输机制从弧区混杂岩底辟作用向弧后地幔交代作用的空间转变。这一双模式框架深化了对板片脱水与地幔混杂化之间动力学相互作用的认识，为汇聚边缘物质再循环研究提供了精细化视角。中国海洋大学李晓辉教授为论文的第一作者和通讯作者，李三忠教授为论文共同通讯作者，研究由中国海洋大学、崂山实验室、美国得克萨斯大学达拉斯分校及合肥工业大学等单位合作完成，得到了国家自然科学基金、崂山实验室和中央高校基础研究经费等项目的联合资助。

论文信息： Xiaohui Li*, Jiayu Yuan, Robert J. Stern, Long Chen, Yanhui Suo, Yuan Zhong, Kun Guo, He Sun, Yonghong Guo, Zhiqing Lai, Sanzhong Li*. Variable slab material transport mechanisms in Mariana subduction zone. Geology, 2026. DOI: 10.1130/G55453.1

文章链接：https://doi.org/10.1130/G55453.1